IAP15在室內空氣質量檢測系統中的應用

廣東工程職業技術學院人工智能學院 李南安

空氣質量一直是人們關注的話題，特別是人們大多數時間所在的室內空氣質量。本設計采用STC15系列單片機為核心，配合兩個傳感器進行氣體數據采集，然后將數據顯示在LCD顯示器上，把空氣數據化，還能通過局域網或連接設備進行收發數據，時刻能夠關注到空氣質量的變化，并有提醒功能；如果檢測的空氣質量數據超過標準值，顯示屏上的數據會變成紅色，提醒用戶需注意當前空氣。經過測試，系統能對TVOC（揮發性有機物）、CO2（二氧化碳）、溫度和濕度正常采集，并將檢測的數據正常顯示在屏幕上。通過網絡測試，使用網絡調試助手可以讓數據正常收發。

近年來，人們對自己的身體健康越來越重視：注意自身的飲食習慣，并加強鍛煉身體，保持心理平衡。但即使做到了這些，還有一項重要的因素影響著人們的身體健康，且將長期影響，那就是：空氣。了解空氣質量，改善生活環境，人們對空氣質量檢測的需求也越來越大，考慮到人們大多數時間都呆在室內，而且室外空氣變化較大，所以從室內空氣著手，注重對室內空氣的質量檢測，包括TVOC（總揮發性有機物）、CO2（二氧化碳）、溫度和濕度。根據國家標準GB/T 18883-2002《室內空氣質量標準》提到的室內空氣中的各種參數，選取了總揮發性有機物TVOC和二氧化碳CO2作為本設計的空氣檢測對象，具有一定的參考價值。

1 系統設計方案

根據前面提到的模塊，進行系統總架構設計，系統除了ESP8266需要3.3V電源外，其余元器件都是5V供電。液晶數據由單片機輸出，沒有數據交換；ESP8266需要和單片機數據交換才能完成無線收發功能；DHT11發送數據給單片機；SGP30同樣既可讀取數據，也可寫入數據。設計圖如圖1所示。

2 硬件設計

2.1 單片機最小系統

本設計單片機IAP15W4K58S4接5V電源。ESP8266使用串口3，所以使用P0.0和P0.1端口，TFT液晶顯示屏需要SPI通信，所以MOSI和SCLK分別連接P1.3和P1.5，剩下的引腳接普通I/O口即可。DHT11模塊數據引腳沒要求，故接普通I/O口。SGP30模塊CL和SDA引腳是I2C通信，故使用普通I/O口即可。串口1：P3.0和P3.1用作單片機程序下載口，即USBISP下載，通過帶有CH340G的USB轉串口數據線可實現程序的下載。由于此單片機內部自帶高精度時鐘，因此本設計沒有使用外部晶振，僅通過ISP編程時選擇系統內部始終即可，本次設計使用的系統內部IRC頻率為12.000MHz。單片機端口各個端口定義如圖2所示。

圖1 系統總設計框圖

圖2 IAP15W4K58S4單片機原理圖

2.2 SGP30模塊

SGP30模塊使用I2C與IAP15W4K58S4單片機進行通信。實物圖如圖3所示，模塊原理圖如圖4所示。

圖3 SGP30實物圖

圖4 SGP30模塊原理圖

圖5 DHT11模塊原理圖

圖6 ESP8266模塊原理圖

圖7 TFT-1.44液晶原理圖

2.3 DHT11溫濕度傳感器模塊

圖8 系統程序流程圖

圖9 液晶顯示

此模塊采用單線制串行接口，只有一個數據口，接單片機的普通I/O口即可。根據官方提供的Datasheet，接口上建議：當連接線長度短于20m的時候，使用5K上拉電阻，而大于20m的時候則需要根據實際情況使用恰當的上拉電阻。該模塊的供電電壓為3-5.5V，所以接系統電源5V即可。模塊原理圖如圖5所示。

2.4 ESP8266模塊

該模塊采用UART通信，即通過串口與單片機進行通信。模塊原理圖如圖6所示。

圖10 網絡調試助手APP

2.5 TFT液晶模塊

本設計使用的液晶為5V供電，所以直接使用系統電源供電即可。該液晶模塊使用的是SPI通信，模塊原理圖如圖7所示。

3 系統軟件設計

本設計各模塊編程采用模塊化編程思路。系統程序工作流程如圖8所示。

結論：液晶顯示如圖9所示，手機網絡調試助手界面如圖10所示。通過顏色變化，警示空氣質量情況。